DE4437325A1 - Optischer Schalter und optisches Koppelfeld damit - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem optischen Schalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einem optischen Koppelfeld nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Es sind Digital-Optische-Schalter (DOS) bekannt, welche zum Umschalten eines an einem Eingangswellenleiter des Digital-Optischen-Schalters anliegenden Eingangssignals auf einen von zwei Ausgängen des DOS dienen. Dazu weist der DOS einen thermischen Aktor auf, mittels dem der thermooptische Effekt eines Polymer-Wellenleiters zur Veränderung des Wellenleitverhaltens innerhalb des Schalters ausgenutzt wird. Zur Kompensation von optischen Verlusten, insbesondere bei der Einkopplung und bei der Auskopplung von optischen Signalen werden bisher optische Faserverstärker verwendet.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße optische Schalter mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Dotierung der Ausgangswellenleiter und/oder von diesen nachgeschalteten Führungswellenleitern eine besonders platzsparende und preiswerte Signalverstärkung zur Kompensation von optischen Verlusten im optischen Schalter erreichbar ist. Außerdem verbessert sich das Übersprechverhalten, da die Extinktion des nicht das optische Eingangssignal leitenden Ausgangswellenleiters erhöht wird.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen optischen Schalters möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, ein wellenlängenselektives Koppelelement vorzusehen, mittels dem das Pumplicht dem optischen Eingangssignal zukoppelbar ist, da dadurch auf besonders einfache Weise das Pumplicht in den optischen Schalter gelangen kann.

Die Anordnung eines ausgangsseitigen wellenlängenselektiven Koppelelements zur Auskopplung des Pumplichts dient in vorteilhafter Weise der Verbesserung der Signalqualität, da der störende Pumplichtanteil hinter dem weiteren wellenlängenselektiven Koppelelement nahezu nicht mehr vorhanden ist.

Die Einkopplung von Rückwärtspumplicht über das weitere wellenlängenselektive Koppelelement ist besonders vorteilhaft, da insbesondere bei längeren Ausgangswellenleitern bzw. Führungswellenleitern die optische Abschwächung durch dieses zusätzliche Pumplicht kompensiert werden kann.

Die Anordnung eines Wellenleiterstuckes mit einem optischen Reflektor stellt eine vorteilhafte Maßnahme dar, da der optische Reflektor ein besonders kostengünstiges Bauelement darstellt, welches gleichzeitig zur Auskopplung des Pumplichts und zur Wiedereinkopplung des reflektierten Anteils des ausgekoppelten Pumplichts als Rückwärtspumplicht dient.

Schaltet man einem der Ausgangswellenleiter ein optisches Filter nach, welches für durch verstärkte spontane Emission entstandenes Licht undurchlässig ist, so ergibt sich der Vorteil, daß das hinter dem optischen Filter abgreifbare Signal nahezu frei von solchem, das Signal-Rauschverhältnis verminderndem Licht ist.

Die Vorschaltung eines optischen Isolators vor den optischen Filter ist insofern vorteilhaft, als filterbedingte Reflexionen in Richtung auf die dotierten Wellenleiter verringert werden, wodurch das Stabilitätsverhalten bei der mittels Dotierung und Pumplicht erzielbaren Verstärkung gewährleistet bleibt.

Die Integration wenigstens des Teils des optischen Schalters mit dem Eingangswellenleiter und den zwei Ausgangswellenleitern auf einem Substrat stellt sich als vorteilhaft heraus, da eine besonders raumsparende Anordnung des optischen Schalters erhalten wird.

Die Ausbildung wenigstens eines Führungswellenleiters in Form eines mit Polymerklebstoff gefüllten Wellenleiterkanals ist insofern vorteilhaft, als der Polymerklebstoff gleichzeitig auch noch zur mechanischen Befestigung eines Schutzdeckels für den integrierten, optischen Schalter dienen kann.

Wird ein optisches Koppelfeld mit wenigstens zwei der optischen Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und mit wenigstens einem Signalvereiniger gebildet, so erschließt sich der sich durch hohe Verstärkung auszeichnende optische Schalter auch für das Gebiet der optischen Koppelfelder, bei denen eine Verstärkung des optischen Signals besonders wichtig ist. Da der optische Schalter integrierbar ausgeführt ist, ist damit ein optisches Koppelfeld inklusive der Signalverstärkung vollständig integrierbar.

Die Anordnung zweier Führungswellenleiter an einer Überkreuzungsstelle in einem das Übersprechen minimierenden Winkel verringert in vorteilhafter Weise die Durchmischung der sich überkreuzenden Signale.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines optischen Koppelfeldes.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Figur ist ein Eingangslichtleiter 31 zusammen mit einer Einkoppelfaser 33 einem wellenlängenselektiven Koppelelement 13 zugeführt. Eine Pumplichtquelle 10 leitet Pumplicht P₁ an einen Signalteiler 11, der zwei Ausgänge aufweist. An einem Ausgang des Signalteilers 11 ist die Einkoppelfaser 33 angeschlossen. Der zweite Ausgang des Signalteilers 11 führt über eine weitere Einkoppelfaser 32 ebenfalls Pumplicht P₁ zu einem weiteren wellenlängenselektiven Koppelelement 12, dem zusätzlich ein weiterer Eingangslichtleiter 30 zugeführt ist. Am Ausgang des wellenlängenselektiven Koppelelements 13 ist ein Faserstück 35 angeordnet. Ebenso ist am Ausgang des weiteren wellenlängenselektiven Koppelelements 12 ein weiteres Faserstück 34 angeschlossen. Ein Substrat 50 weist in integrierter Form einen Digital-Optischen-Schalter 15 sowie einen weiteren Digital-Optischen-Schalter 14 auf. Der Digitial-Optische-Schalter 15 weist einen Eingangswellenleiter 55 auf, der in zwei Ausgangswellenleiter 51, 53 übergeht. Ebenso weist der weitere Digital-Optische-Schalter 14 einen weiteren Eingangswellenleiter 56 auf, der in zwei weitere Ausgangswellenleiter 52, 54 übergeht. Die Heizvorrichtungen der beiden Digital-Optischen-Schalter 14, 15 sind nur schematisch angedeutet. Weiter weist das Substrat 50 zwei Signalvereiniger 16, 17 auf, die je zwei Eingänge und einen Ausgang besitzen. Je ein Eingang der beiden Signalvereiniger 16, 17 ist über je einen Führungswellenleiter 39, 41 mit einem der Ausgangswellenleiter 51, 53 des Digital-Optischen-Schalters 15 verbunden. Ebenso ist jeder der beiden Signalvereiniger 16, 17 mit je einem der weiteren Ausgangswellenleiter 54, 52 des weiteren Digital-Optischen-Schalters 14 über weitere Führungswellenleiter 38, 40 verbunden. An einer Überkreuzungsstelle 18 überkreuzen sich zwei der Führungswellenleiter 38, 39, 40, 41. Die Überkreuzungsstelle 18 ist dabei so ausgestaltet, daß sich die beiden überkreuzenden Führungswellenleiter 40, 41 in einem Winkel treffen, der das Übersprechen minimal hält. Der Eingangswellenleiter 55 des Digital-Optischen-Schalters 15 ist mit dem Faserstück 35 über ein Eingangswellenleiterstück 37 verbunden. Ebenso ist das weitere Faserstück 34 über ein weiteres Eingangswellenleiterstück 36 mit dem weiteren Eingangswellenleiter 56 des weiteren Digital-Optischen-Schalters 14 verbunden. Am Ausgang des Signalvereinigers 16 ist ein Ausgangswellenleiterstück 42 angeordnet, welches mit einem Faserstück 44 verbunden ist. Außerdem ist der Ausgang des weiteren Signalvereinigers 17 über ein weiteres Ausgangswellenleiterstück 43 mit einem weiteren Faserstück 45 verbunden. Das weitere Faserstück 45 führt zu einem ausgangsseitigen wellenlängenselektiven Koppelelement 19. Auf der Ausgangsseite ist bei dem ausgangsseitigen wellenlängenselektiven Koppelelement 19 eine Auskoppelfaser 57 angeordnet, an deren Ende eine weitere Pumplichtquelle 22 angebracht ist. Das Faserstück 44 ist mit einem weiteren ausgangsseitigen wellenlängenselektiven Koppelelement 20 verbunden. Das weitere ausgangsseitige wellenlängenselektive Koppelelement 20 weist auf seiner dem Substrat 50 abgewandten Seite ein Wellenleiterstück 58 auf, das an seinem Ende einen optischen Reflektor 21 aufweist. Außerdem ist am Ausgang des weiteren ausgangsseitigen wellenlängenselektiven Koppelelements 20 ein Ausgangslichtleiter 46 angeschlossen, in den ein optisches Filter 23 mit einem vorgeschalteten optischen Isolator 48 eingefügt ist. Hinter dem optischen Filter 23 ist aus dem Ausgangslichtleiter 46 ein Ausgangslichtsignal A₂ auskoppelbar. Ebenso ist hinter das ausgangsseitige wellenlängenselektive Koppelelement 19 ein weiterer Ausgangslichtleiter 47 geschaltet, in den ein weiteres optisches Filter 24 mit einem vorgeschalteten weiteren optischen Isolator 49 eingefügt ist. Aus dem weiteren Ausgangslichtleiter 47 ist hinter dem weiteren optischen Filter 24 ein weiteres Ausgangslichtsignal A₁ entnehmbar. In den Eingangslichtleiter 31 wird ein optisches Eingangssignal S₁ eingekoppelt. In den weiteren Eingangslichtleiter 30 wird ein weiteres optisches Eingangssignal S₂ eingekoppelt.

Das optische Eingangssignal S₁ wird mittels des wellenlängenselektiven Koppelelements 13 mit dem Pumplicht P₁ vermischt. Das Faserstück 35 führt somit sowohl das optische Eingangssignal S₁ als auch das Pumplicht P₁. Dieses Licht gelangt über das Eingangswellenleiterstück 37 zum Digital-Optischen-Schalter 15, wo es in einen der beiden Ausgangswellenleiter 51, 53 geleitet wird. Je nach thermischer Einstellung des Digital-Optischen-Schalters 15 liegt das Gemisch aus optischem Eingangssignal S₁ und Pumplicht P₁ entweder am einen Ausgangswellenleiter 51 oder am anderen Ausgangswellenleiter 53. Mittels einem der Führungswellenleiter 39, 41 wird dieses Licht den Signalvereinigern 16, 17 zugeführt. Analog zum optischen Eingangssignal S₁ wird im weiteren wellenlängenselektiven Koppelelement 12 eine Verkopplung der beiden Lichtanteile des weiteren Eingangssignals S₂ und des Pumplichts P₁ bewirkt. Das Licht gelangt über das weitere Faserstück 34 und das weitere Eingangswellenleiterstück 36 zum weiteren Digital-Optischen-Schalter 14, wo auch wiederum dem Schaltzustand entsprechend eine Zuteilung des Lichts zu einem der beiden weiteren Ausgangswellenleiter 52, 54 erfolgt. Über die weiteren Führungswellenleiter 40, 38 erfolgt auch hier eine Ankopplung der weiteren Ausgangswellenleiter 52, 54 an die Signalvereiniger 16, 17. An der Überkreuzungsstelle 18 treffen sich zwei Führungswellenleiter 40, 41 in einem großen (stumpfen) Winkel, wodurch ein Übersprechen auf ein Minimum reduziert wird. Durch die Anordnung aus Digital-Optischen-Schaltern 14, 15 und Signalvereinigern 16, 17 ist es möglich, durch entsprechende Umschaltung der DOS 14, 15 die optischen Eingangssignale S₁, S₂ an eine beliebige Kombination der Ausgangswellenleiterstücke 42, 43 zu verschalten. Über die Faserstücke 44, 45 gelangt das in den Signalvereinigern 16, 17 vereinigte Licht zu den ausgangsseitigen wellenlängenselektiven Koppelelementen 19, 20. Dort wird das Pumplicht P₁ wieder ausgekoppelt. Zusätzlich wird über die weitere Pumplichtquelle 22 Rückwärtspumplicht P₃ genau entgegengesetzt zum Weg des Pumplichts P₁ über das wellenlängenselektive Koppelelement 19 in das Faserstück 45 eingekoppelt. Von dort aus breitet sich das Rückwärtspumplicht P₃ über den weiteren Signalvereiniger 17 in die Führungswellenleiter 40, 39 aus. Durch den am Ende des Wellenleiterstücks 58 angebrachten optischen Reflektor 21 wird das Pumplicht P_1, welches aus dem Faserstück 44 ausgekoppelt wurde, reflektiert und wieder auf dem entgegengesetzten Wege in das Faserstück 44 eingekoppelt. Das vom Pumplicht P₁ befreite Licht, welches hinter den ausgangsseitigen wellenlängenselektiven Koppelelementen 19, 20 vorliegt, gelangt über die Ausgangslichtleiter 46, 47 über die optischen Isolatoren 48, 49 zu den optischen Filtern 23, 24.

Durch die Dotierung der Eingangswellenleiterstücke 36, 37, der Eingangswellenleiter 55, 56, der Ausgangswellenleiter 51, 52, 53, 54, der Führungswellenleiter 39, 40, 41, 38, der Signalvereiniger 16, 17 und der Ausgangswellenleiterstücke 42, 43 wird eine optische Verstärkung des Signallichts der optischen Eingangssignale S₁, S₂ bewirkt. Das Dotiermittel absorbiert dabei die optische Leistung bei der Pumplichtwellenlänge λ_P und verstärkt andererseits dabei die Signalleistung bei der Signallichtwellenlänge λ₅. Dadurch, daß gleichzeitig das Signallicht der optischen Eingangssignale S₁, S₂ zusammen mit dem Pumplicht P₁ mittels der Digital-Optischen-Schalter 14, 15 umgeschaltet wird, entsteht nur dort eine Verstärkung, wo das Signallicht geführt wird. Umgekehrt ergibt die Dotierung in den Führungswellenleitern 39, 40, 41, 38, in denen das Signallicht nicht geführt wird, auch keine Verstärkung, da auch das Pumplicht P₁ nicht vorhanden ist. Die Dotierung bewirkt in diesem Fall sogar eine zusätzliche Abschwächung eines vorhandenen Restsignallichtanteils durch Absorption. Dadurch wird das Übersprechverhalten für die Ausgangslichtsignale A₁, A₂ verbessert. Durch das Rückwärtspumplicht P₃ bzw. das reflektierte Pumplicht P₁ wird eine zusätzliche Verstärkung erzielt, die insbesondere bei großen Koppelfeldern der Abschwächung der optischen Eingangssignale S₁, S₂ bei großen optischen Wegen entgegenwirken soll. Da in sämtlichen dotierten Wellenleitern auch eine spontane Lichtemission stattfindet, die über das Dotiermittel verstärkt wird (Amplified Spontaneous Emission ASE), dienen die optischen Filter 23, 24 der Ausfilterung dieses das Signallicht störenden Lichtanteils. Zur Verminderung von filterbedingten Reflexionen der optischen Filter 23, 24 in Richtung auf das Koppelfeld dienen die optischen Isolatoren 48, 49. Hinter den optischen Filtern 23, 24 sind schließlich die Ausgangslichtsignale A₁, A₂ abgreifbar, die weitergeleitet oder ausgewertet werden.

Als Koppelelemente 12, 13, 19, 20 sind Richtkoppler verwendbar und als Signalvereiniger sind Y-Verbinder einsetzbar. Als Dotiermittel eignen sich in Abhängigkeit von der Signallichtwellenlänge λ_S seltene Erden wie beispielsweise Erbium oder Praseodym, aber auch organisch Farbstoffe. Die DOS 14, 15 sind entweder mit einer Heizvorrichtung oder zur schnelleren Umschaltung mit zwei Heizvorrichtungen (thermischen Aktoren) ausstattbar. Als Material für die Führungswellenleiter 38, 39, 40, 41 sind sowohl Polymere als auch Ormocere geeignet. Die DOS 14, 15 sind auch als analoge optische Schalter betreibbar, bzw. durch solche ersetzbar.

Es ist weiter vorgesehen, daß sowohl die wellenlängenselektiven Koppelelemente 12, 13, 19, 20 als auch die optischen Isolatoren 48, 49 und die optischen Filter 23, 24 auf dem Substrat 50 integrierbar sind. Dadurch ist eine besonders platzsparende Realisierungsform eines optischen Koppelfeldes möglich. Es ist weiter vorgesehen die Integration weiter zu erhöhen, indem die Pumplichtquellen 10, 22 oder sogar die gesamte in der Figur dargestellte Anordnung auf dem Substrat 50 integriert wird und lediglich die Eingangslichtleiter 30, 31 und die hinter den optischen Filtern 23, 24 liegenden weiterführenden Ausgangslichtleiter 46, 47 an das Substrat 50 angekoppelt werden.

Außer der Anwendung bei einem Digital-Optischen-Schalter 14, 15 ist es ebenso vorgesehen, ein Mach-Zehnder-Interferometer in analoger Weise mit einem Dotiermittel zu dotieren und mit Pumplicht P₁ zu versorgen, so daß auch darin eine Verstärkung des Signallichts stattfindet.

Anstelle der Signalvereiniger 16, 17 können auch weitere digital-optische Schalter eingesetzt werden, so daß andere Durchschaltverbindungen realisiert werden können.

Claims (11)

1. Optischer Schalter mit wenigstens einem Eingangswellenleiter (55, 56), dem ein optisches Eingangssignal (S₁, S₂) mit einer vorgegebenen Signallichtwellenlänge (X₅) zugeführt ist und mit wenigstens zwei Ausgangswellenleitern (51, 52, 53, 54), an denen je ein optisches Ausgangssignal abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Eingangssignal (S₁, S₂) dem Eingangswellenleiter (55, 56) zusammen mit einem Pumplicht (P₁) mit einer vorgegebenen Pumplichtwellenlänge (λ_P) zugeführt ist und daß wenigstens die Ausgangswellenleiter (51, 52, 53, 54) und/oder den Ausgangswellenleitern (51, 52, 53, 54) nachgeschaltete Führungswellenleiter (38, 39, 40, 41) mit einem Dotiermittel dotiert sind, welches eine Absorption bei der Pumplichtwellenlänge (λ_P) und eine stimulierte Emission auf der Signallichtwellenlänge (λ_S) aufweist.

2. Optischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein wellenlängenselektives Koppelelement (12, 13) vorgesehen ist, welches dem Eingangswellenleiter (55, 56) vorgeschaltet ist, mittels dem das Pumplicht (P₁) dem optischen Eingangssignal (S₁, S₂) zukoppelbar ist.

3. Optischer Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem der Ausgangswellenleiter (51, 52, 53, 54) ein ausgangsseitiges wellenlängenselektives Koppelelement (19, 20) nachgeschaltet ist, welches das Pumplicht (P₁) wieder auskoppelt.

4. Optischer Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere wellenlängenselektive Koppelelement (19, 20) gleichfalls zur Einkopplung von Rückwärtspumplicht (P₃) in Richtung auf den Eingangswellenleiter (55, 56) dient.

5. Optischer Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere wellenlängenselektive Koppelelement (19, 20) ein Wellenleiterstück (58) aufweist, an dem ein optischer Reflektor (21) zur Reflexion des Pumplichts (P₁) angeordnet ist.

6. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem der Ausgangswellenleiter (51, 52, 53, 54) ein optisches Filter (23, 24) nachgeschaltet ist, welches für durch verstärkte spontane Emission entstandenes Licht undurchlässig ist.

7. Optischer Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem optischen Filter (23, 24) ein optischer Isolator (48, 49) vorgeschaltet ist, der filterbedingte Reflexionen in Richtung auf den Eingangswellenleiter (55, 56) verringert.

8. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Teil des optischen Schalters (14, 15) mit dem Eingangswellenleiter (55, 56) und den zwei Ausgangswellenleitern (51, 52, 53, 54) auf einem Substrat (50), insbesondere einem Polymer- oder einem Ormocersubstrat integriert ist.

9. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Führungswellenleiter (38, 39, 40, 41) aus einem mit einem flüssigen, aushärtbaren Polymerklebstoff gefüllten Wellenleiterkanal besteht.

10. Optisches Koppelfeld mit wenigstens zwei optischen Schaltern nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Signalvereiniger, insbesondere ein Y-Verbinder, (16, 17) vorgesehen ist, dessen Eingängen je eines der Ausgangssignale der optischen Schalter (14, 15) zugeführt ist.

11. Optisches Koppelfeld nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für Überkreuzungen zwischen zwei der Führungswellenleiter (38, 39, 40, 41) die Führungswellenleiter (38, 39, 40, 41) an der Überkreuzungsstelle (18) in einem annähernd senkrechten Winkel zueinander angeordnet sind.